基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，借助车载GPS数据和少量实测数据，构建区域路网微观仿真模型并得到对应的网络基本图(NFD)，在此基础上确定路网累计车辆数临界值范围，进而通过设置在路网边界上游的信号灯进行路网边界控制，使路网累计车辆数保持在目标车辆数附近，使路网的运行效率维持在最佳水平。本发明专利技术实现了基于车载GPS数据的区域路网建模及NFD的获取，通过将控制交叉口设置在路网边界交叉口上游解决了直接对路网边界交叉口控制造成的NFD不稳定的问题。基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法在城市区域拥堵路网的建模与基于信号灯的边界控制中有实际工程应用价值。

Boundary control method of regional congested road network based on vehicle GPS data

【技术实现步骤摘要】
基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法
本专利技术属于区域路网交通控制领域，特别是涉及基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，具体涉及基于车载GPS数据的VISSIM的仿真建模和包含控制延误的区域路网边界总量控制。
技术介绍
伴随着机动车的愈发普及，全国大中城市均面临频繁的交通拥堵问题，小城市甚至乡镇在节假日也经常出现大面积的交通堵塞，城市交通问题日益成为社会焦点问题。为解决交通拥堵日益系统化、全局化的问题，亟需从网络层面探索交通模型构建和交通管理策略制定的问题。在此背景下，网络基本图理论(NetworkFundamentalDiagram,NFD)被用来分析解决拥堵常发的城市区域路网交通拥堵问题。NFD被认为不依托路网OD数据，独立于个体的交通行为，具有简单易行的特点，可用于开发借助实时交通数据的交通管理策略。为制定合理的区域路网交通管理策略，首先需要构建能够反映实际情况的交通模型，这其中最重要的是数据来源的问题。对于区域路网内各路段的流量，对每条道路分别进行调查的方法工作量巨大且很难确定车辆的起止信息，而且国内城市道路很少有车辆检测装置。而近年来兴起的基于车载GPS的数据采集和处理技术为网络交通模型的建立提供了新的思路。通过大量车载GPS数据的分析处理，可以得到车辆的时空轨迹数据，进而通过渗透率得出各路段的流量、车速，有助于获得更能反映实际交通条件的交通模型。获得良好标定后的区域路网交通模型后，由于控制交叉口直接设置在路网边界交叉口造成NFD的不稳定，故本专利技术中控制交叉口设置在受保护路网边界交叉口的上游交叉口。因此，在从控制交叉口到受保护路网存在控制延误的问题，而以往的处理方法往往忽略了控制延误的存在。在实时动态的复杂交通网络情形中，需要根据控制交叉口实际的布设情况，研究有控制延误条件下的路网边界控制参数估计问题，且须具体考虑各控制交叉口的最大、最小相位时间以及流入受保护路网交通量比例等诸多限制，切实满足实际路网控制中的需要。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提供基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，首先解决了基于车辆GPS数据的区域路网VISSIM交通模型的建立问题，并在此基础上开发了通过路网边界上游交叉口流量控制的路网总量控制方法，该方法考虑了区域路网控制中的实际条件，尤其是考虑了控制时间延误，实现了使路网车辆数保持在最佳值附近的控制目标，为达此目的，本专利技术提供基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1)收集搭载GPS车辆的实时数据，包括车牌ID、时间、位置、方向以及车速等数据，收集实地测量数据，包括车型比例、选定GPS车辆渗透率、包含渠化的道路及车道情况、信号配时方案、包含限行的其他交通管理策略情况；步骤2)根据天气状况和节假日属性对高峰时间GPS数据进行聚类处理，进行数据清洗，然后以一定时间步长进行数据处理；步骤3)以OpenMap地图数据为基础，采用ArcGIS软件对GPS数据点进行地图匹配，以单个车辆为基础确定车辆的轨迹及与道路的时空对应关系，获得单个时间步长内各路段选定GPS车辆流量和平均车速数据；步骤4)假定路网内选定GPS车辆的渗透率一致，通过实测数据整理的平均渗透率求得各路段各步长内的总流量数据，以选定GPS车辆的平均车速作为对应的速度数据；步骤5)根据路段流量数据反推OD数据，以建立包含动态分配模块的VISSIM路网模型；步骤6)根据实际的道路线型、渠化、车道、信号配时、其他交通管理措施、车型比例以及上述的OD情况，构建包含动态分配模块的VISSIM模型，动态分配模块中采用改进的Logit模型即Kirchhoff公式进行路径选择，具体公式如下：其中，P(Rj)是路径j被选择的概率，是路径j的效用，Cj是路径j的总体费用，k是模型的敏感系数；步骤7)根据所求得的路网各路段的流量和速度数据对模型进行标定；步骤8)求取各步长内路网车辆累积量N(t)和路网输出车辆数参数P(t)，得到路网的NFD，根据图形确定路网累积车辆数临界范围；步骤9)确定路网包含控制延误的路网车辆数平衡等式，具体如下：其中，Di(t)是路网t时刻的内部交通需求，Iu(t)是t时刻从上游交叉口无控制的边界交叉口进入流量，是控制交叉口m进入路网的延误时间，τg路网整体进入路网延误时间，UIg(t)和分别是t时刻从上游交叉口有控制的边界交叉口总体和个体m进入路网的流量，M是有控制边界上游交叉口的总数，G(N(t))为NFD的表达式；步骤10)通过欧拉公式将式(2)离散化，可以得到：ΔN(k+1)＝AΔN(k)+B[ΔUIg(k-dg)+ΔIu(k)+ΔDi(k)]式(3)其中，τg＝dgT，T是单个步长的时间，dg是整数，一个时间步长内假定ΔIu(k)+ΔDi(k)＝0，A和B通过基于最小平方和的参数估计算出；步骤11)通过式(3)进一步推导出标准的PI控制系统，得到从控制交叉口进入路网的预期交通量总量改变量ΔUIg(k)，PI控制系统具体如下：其中，KP和KI分别是非负的比例和积分增量，通过z变化可以获得在不同的时间延误dg条件下KP、KI与参数A、B之间的关系，是在最佳路网车辆数临界范围内选取的特定车辆数值，通过试算选取使路网延误最小的值为的最终值；步骤12)将控制交叉口直行进入路网信号相位作为流量控制的对象，确定各相关相位最大绿灯时间最小绿灯时间进入路网交通需求等限制条件；步骤13)确定各控制交叉口直行进入路网相位中，进入路网交通量占总体交通量的比例ρm；步骤14)计算控制交叉口m在k步长内的分配进入流量改变值和绿灯时长，具体计算方法如下：其中，是更新后的控制交叉口进入路网的交通量总体改变量，在上一次迭代中由步骤15)确定，其初始值等于ΔUIg(k)，lanem是控制交叉口直行进入路网的车道数，和分别是控制交叉口m对应的下游边界交叉口在第k个时间步长内的交通需求和通行能力，gm()是对应车辆数全部疏解所必需的绿灯时间；步骤15)对达到步骤12)中限制条件的控制交叉口预先分配流量改变值和绿灯时长，并计算更新的控制交叉口进入路网的交通总量改变量步骤16)在步骤14)和步骤15)之间反复迭代，直至得到满足限制条件的最终预期控制总量分配流量值和相应相位绿灯时长。作为本专利技术进一步改进，GPS数据刷新频率为不低于30s。作为本专利技术进一步改进，GPS数据处理的时间步长为2分钟。作为本专利技术进一步改进，采用所有控制交叉口进入路网延误时间中的最大值作为路网整体控制延误时间。作为本专利技术进一步改进，将控制交叉口直行进入路网的信号相位作为流量控制的对象。本专利技术公开了一种基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，借助车载GPS数据和少量实测数据，构建区域路网微观仿真模型并得到对应的网络基本图(NFD)，在此基础上确定路网累计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n步骤1)收集搭载GPS车辆的实时数据，包括车牌ID、时间、位置、方向以及车速等数据，收集实地测量数据，包括车型比例、选定GPS车辆渗透率、包含渠化的道路及车道情况、信号配时方案、包含限行的其他交通管理策略情况；/n步骤2)根据天气状况和节假日属性对高峰时间GPS数据进行聚类处理，进行数据清洗，然后以一定时间步长进行数据处理；/n步骤3)以OpenMap地图数据为基础，采用ArcGIS软件对GPS数据点进行地图匹配，以单个车辆为基础确定车辆的轨迹及与道路的时空对应关系，获得单个时间步长内各路段选定GPS车辆流量和平均车速数据；/n步骤4)假定路网内选定GPS车辆的渗透率一致，通过实测数据整理的平均渗透率求得各路段各步长内的总流量数据，以选定GPS车辆的平均车速作为对应的速度数据；/n步骤5)根据路段流量数据反推OD数据，以建立包含动态分配模块的VISSIM路网模型；/n步骤6)根据实际的道路线型、渠化、车道、信号配时、其他交通管理措施、车型比例以及上述的OD情况，构建包含动态分配模块的VISSIM模型，动态分配模块中采用改进的Logit模型即Kirchhoff公式进行路径选择，具体公式如下：/n...

【技术特征摘要】
1.基于车载GPS数据的区域拥堵路网边界控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)收集搭载GPS车辆的实时数据，包括车牌ID、时间、位置、方向以及车速等数据，收集实地测量数据，包括车型比例、选定GPS车辆渗透率、包含渠化的道路及车道情况、信号配时方案、包含限行的其他交通管理策略情况；
步骤2)根据天气状况和节假日属性对高峰时间GPS数据进行聚类处理，进行数据清洗，然后以一定时间步长进行数据处理；
步骤3)以OpenMap地图数据为基础，采用ArcGIS软件对GPS数据点进行地图匹配，以单个车辆为基础确定车辆的轨迹及与道路的时空对应关系，获得单个时间步长内各路段选定GPS车辆流量和平均车速数据；
步骤4)假定路网内选定GPS车辆的渗透率一致，通过实测数据整理的平均渗透率求得各路段各步长内的总流量数据，以选定GPS车辆的平均车速作为对应的速度数据；
步骤5)根据路段流量数据反推OD数据，以建立包含动态分配模块的VISSIM路网模型；
步骤6)根据实际的道路线型、渠化、车道、信号配时、其他交通管理措施、车型比例以及上述的OD情况，构建包含动态分配模块的VISSIM模型，动态分配模块中采用改进的Logit模型即Kirchhoff公式进行路径选择，具体公式如下：



其中，P(Rj)是路径j被选择的概率，是路径j的效用，Cj是路径j的总体费用，k是模型的敏感系数；
步骤7)根据所求得的路网各路段的流量和速度数据对模型进行标定；
步骤8)求取各步长内路网车辆累积量N(t)和路网输出车辆数参数P(t)，得到路网的NFD，根据图形确定路网累积车辆数临界范围；
步骤9)确定路网包含控制延误的路网车辆数平衡等式，具体如下：



其中，Di(t)是路网t时刻的内部交通需求，Iu(t)是t时刻从上游交叉口无控制的边界交叉口进入流量，是控制交叉口m进入路网的延误时间，τg路网整体进入路网延误时间，UIg(t)和分别是t时刻从上游交叉口有控制的边界交叉口总体和个体m进入路网的流量，M是有控制边界上游交叉口的总数，G(N(t))为NFD的表达式；
步骤10)通过欧拉公式将式(2)离散化，可以得到：
ΔN(k+1)＝AΔN(k)+B[ΔUIg(k-dg)+ΔIu(k)+ΔDi(k)]式(3)
其中，τg...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘攀，何子昂，徐铖铖，李志斌，季彦婕，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32